【摘要】：水下排氣過程往往伴隨有強烈的聲學信號產(chǎn)生,其聲特性及其抑制或主動利用在近年來逐漸成為研究熱點,且涉及到多個技術領域。如,水下裝備的廢氣排放所產(chǎn)生的噪聲不僅會干擾己方通訊、破壞隱蔽性,還會造成工作和海洋環(huán)境的聲污染,排氣噪聲的控制是關鍵問題;在過程工業(yè)領域的鼓泡塔等典型設備中,可以通過聲學測量手段獲取兩相流流場信息。因此,無論從噪聲的抑制還是主動的聲學應用角度考慮,水下排氣聲特性及其產(chǎn)生機理的研究都具有重要的科學意義和應用價值。本文面向水下排氣過程,采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗驗證等方法,對氣液兩相流復雜流動狀態(tài)的演化過程與輻射聲學特性進行同步分析,研究水下氣體高速射流和氣泡流兩種氣液兩相流動狀態(tài)下的聲產(chǎn)生機理,為氣泡聲特性的控制和利用提供依據(jù),主要工作包括以下幾個方面:1.基于LIGHTHILL聲類比思想建立了水下排氣噪聲的數(shù)值預測模型,在氣液兩相流場模擬的基礎上實現(xiàn)了水下排氣流場與聲壓信息的同步獲取,并在水下超聲速排氣和低速氣泡流兩種典型排氣過程中得到應用;采用濾波和傅里葉變換等信號處理手段,實現(xiàn)了水下排氣噪聲數(shù)值預測結(jié)果的分離、提取和分析。2.基于MIXTURE模型對水下超聲速排氣形成的兩相流流場進行了數(shù)值模擬,通過求解FW-H方程得到水下超聲速氣體噴流噪聲特性,實現(xiàn)了噴流結(jié)構(gòu)及其輻射噪聲的數(shù)值預測;并通過試驗結(jié)果驗證了噪聲預測方法,預測和試驗得到的總聲壓級差值小于3.6分貝。結(jié)合時-頻分析方法研究了噴流噪聲產(chǎn)生的物理機制,發(fā)現(xiàn)流場激波結(jié)構(gòu)演化過程與聲壓脈動信號之間的對應關系;討論了不同噴管出口環(huán)境背壓和來流總壓對流場與聲場的影響。3.基于VOF模型對水下排氣形成的氣泡流進行數(shù)值模擬,分析了聲源積分面選取以及網(wǎng)格大小對氣泡聲學預測結(jié)果的影響,并通過文獻中的經(jīng)典實驗數(shù)據(jù)驗證了模擬方法的可行性和準確性。結(jié)合信號處理手段得到了氣泡產(chǎn)生頻率和氣泡體積振動頻率的預測結(jié)果;發(fā)現(xiàn)管口氣泡脫離瞬間伴隨著流場內(nèi)壓力脈動峰值和時域波形類似于衰減的正弦波的聲壓信號的出現(xiàn)。4.基于數(shù)值模擬和實驗研究分析了水下低速排氣管口氣泡脫離特性及其噪聲產(chǎn)生機理,研究了管口結(jié)構(gòu)在氣泡生成過程所起到的“導流”作用;發(fā)現(xiàn)管口周圍液體的運動不僅影響氣泡脫離過程同時也是誘發(fā)氣泡發(fā)生體積振動并輻射聲壓信號的激勵源。本文針對水下超聲速氣體射流和低速氣泡流的聲特性研究,建立了數(shù)值預測和實驗方法,可為水下排氣噪聲的預報和聲特性研究提供一種工程解決方案。對兩種典型水下排氣過程聲信號產(chǎn)生機理的認識可為水下排氣噪聲的控制和聲信號的主動利用提供理論和技術支撐。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O35
【圖文】：

ｌ聲類比理論中，假設聲源近場區(qū)域被周圍靜止流體包圍，因此在的幅值很小，可通過式（２－３０）求解聲學遠場的聲傳播。但在聲體流動和漩渦脫落現(xiàn)象，流體的部分能量轉(zhuǎn)化為聲能，線性聲學考慮波動方程的非線性項。圖２－１展示了邋Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ聲類比理論中情況。在湍流流動區(qū)域，聲波傳播方程的右端源項＾＃０；而周圍播方程右端源項９邋＝邋０。逡逑續(xù)介質(zhì)，在無外力的情況下，考慮壓縮性、粘性效應和流體間的可表示為逡逑）可以表示為逡逑＾￣ｃ２ｙ２ｐ邋＝邋ａ￣邐ｃｔ１邐ＯＸ邋ｆｉｘ邋ｊ逡逑

２．４．２邋Ｆｆｏｗｃｓ－Ｗｉｌｌｉａｍｓ邋ａｎｄ邋Ｈａｗｋｉｎｇｓ邋（ＦＷ－Ｈ）方程逡逑Ｆｆｏｗｃｓ－Ｗｉｌｌｉａｍｓ邋ａｎｄ邋Ｈａｗｋｉｎｇｓ邋（ＦＷ－Ｈ）方程在Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ聲類比理論的基礎上考慮了逡逑運動界面Ｓ對聲場的影響。假設流場區(qū)域內(nèi)存在界面Ｓ邋（如圖２－２所示），ＦＷ－Ｈ方程的表逡逑達式為逡逑＿邐＝巖邋＿是｛［�。咤澹觯ⅲ┢荩ǎ玻常担╁义鲜街校ゴ砹黧w沿界面法向的速度，＼代表界面沿其法線方向的速度；引入界面函數(shù)／，逡逑有逡逑＜０，ｒｅｇｉｏｎ邋１逡逑／＜＝０，邋ｓｕｒｆａｃｅｓ邐５邋（／）邋＝邋｜＾’邐（邋一邋0逡逑＞邋０，邋ｒｅｇｉｏｎ邋２邐’逡逑ｆ＞０逡逑ｆ＝ｃｕ＿邐邐邐ｒｅｇｉｏｎ邋２逡逑，邋、、逡逑，邐ｆ＜０邐１逡逑＼邋－邋，逡逑＼邋ｒｅｇｉｏｎ邋１邋ｙ逡逑一逡逑ｎ逡逑圖２－２邋ＦＷ－Ｈ方程中界面函數(shù)原理圖逡逑式（２－３５）的左端為傳統(tǒng)波動方程的基本形式；右端項則展示了三種不同形式的聲源逡逑２６逡逑

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